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      Linux性能优化实战
平均负载 工具 stress 是一个 Linux 系统压力测试工具，这里我们用作异常进程模拟平均负载升高的场景。 mpstat 是一个常用的多核 CPU 性能分析工具，用来实时查看每个 CPU 的性能指标，以及所有 CPU 的平均指标。pidstat 是一个常用的进程性能分析工具，用来实时查看进程的 CPU、内存、I/O 以及上下文切换等性能指标。
vmstat 是一个常用的系统性能分析工具，主要用来分析系统的内存使用情况，也常用来分析 CPU 上下文切换和中断的次数。
CPU上下文切换  CPU上下文切换的几种场景。  CPU 上下文切换，就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。
而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。
根据任务的不同，CPU 的上下文切换就可以分为几个不同的场景，也就是进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。
 系统调用时的上下文切换  Linux 按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间，分别对应着下图中， CPU 特权等级的 Ring 0 和 Ring 3。内核空间（Ring 0）具有最高权限，可以直接访问所有资源；用户空间（Ring 3）只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。换个角度看，也就是说，进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。比如，当我们查看文件内容时，就需要多次系统调用来完成：首先调用 open() 打开文件，然后调用 read() 读取文件内容，并调用 write() 将内容写到标准输出，最后再调用 close() 关闭文件。那么，系统调用的过程有没有发生 CPU 上下文的切换呢？答案自然是肯定的。CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。而系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。不过，需要注意的是，系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。所以，系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。但实际上，系统调用过程中，CPU 的上下文切换还是无法避免的。
 进程上下文切换  进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。因此，进程的上下文切换就比系统调用时多了一步：在保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。保存上下文和恢复上下文的过程并不是“免费”的，需要内核在 CPU 上运行才能完成。
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    <div class="post-summary">
       1. 什么是系统性能分析 系统性能是对整个系统的研究，包括了所有的硬件组件和整个软件栈。所有数据路径上和软硬件上所发生的事情都包括在内，因为这些都有可能影响性能。额外的，对于分布式系统来说，这意味着多台服务器和多个应用。
2. 视角 性能是可以从不同的视角来审视的，系统管理员作为系统资源的负责人，通常采用资源分析视角，应用程序开发人员，对最终实现的复杂性能负责，通常采用负载分析视角。
 资源分析：resource analysis，相关指标为IOPS、吞吐量、使用率、饱和度 负载分析：workload analysis，（请求负载下的）延时、吞吐量、成功率  3. 基准测试 基准测试（benchmark）是针对系统设计的一种压力测试。通常目标都是为了掌握系统的行为。但也有其它原因，如重现系统的某个状态，或者做可靠性测试。
以下错误可能导致测试结果错误或不可用：
 使用真实数据的子集而不是全集。 使用错误的数据分布。 在多用户系统中，只做单用户测试。 在单服务器上测试分布式系统。 测试时间太短。 忽略了系统的预热过程。 测试行为与真实用户行为不匹配。 反复执行重复操作。真实场景下，操作是不尽相同的。例如对具有查询缓存的系统执行不同的查询，实际上是会导致缓存命中率降低的。 没有检查错误。基准测试完成后，一定要检查错误日志，这应当是最基本的要求。  
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    <div class="post-summary">
      对于一个具体的系统，例如，一台计算机系统，一个数据库，或者一个Web应用，经常会遇到这样的问题：系统的性能到底是指什么，以及如何衡量系统的性能。针对不同场景下的不同系统，性能的含义可能并不相同。很难给出性能的定义，但是可以通过一些客观指标，对其加以描述。
1. 响应时间 响应时间是指完成某件任务所需要的时间（所有操作完成的耗时）。这是一个很重要的性能指标，大多数情况下，系统性能就是指其响应时间。
通常来说延时（latency）是响应时间的一部分，但是某些语境下，延时和响应时间被认为是相同的。
注意，响应时间指标的测试，通常采用大量请求的方式进行。比如，测量一万次请求所需的总响应时间之和，然后除以一万，得到单次请求的响应时间。这样做是为了避免测试行为本身对响应时间的统计造成较大影响。
常见的响应时间表。
   操作 响应时间     一个CPU周期 0.3ns   L1缓存访问 0.9ns   L2缓存访问 2.8ns   L3缓存访问 12.9ns   主存访问（CPU访问DRAM） 120ns   系统调用 &lt;1-25us   从内存读取1MB数据 10+us   Java本地方法调用 &lt;10us   固体硬盘IO（闪存） 50-150us   从固体硬盘顺序读取1MB数据 300us   从redis读取一个数据（良好的网络场景下？） 500us   机械磁盘寻道时间 典型的寻道时间2-30ms，平均寻道时间一般在4-10ms之间   机械磁盘旋转等待时间 磁盘旋转一周时间的1/2，即1/(转数*2)。例如5400rpm为5.56ms   机械磁盘访问时间 一般在8-20ms之间   互联网：美国西海岸（旧金山）到东海岸（纽约） 40ms   互联网：美国西海岸（旧金山）到英国 81ms   互联网：美国西海岸（旧金山）到澳大利亚 183ms   TCP包重传 1-3s   打开一个页面 3s   OS虚拟化系统重启 4s   SCSI命令超时 30s   硬件虚拟化系统重启 40s   物理系统重启 min级别    2.
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